Тема 4 Загальна характеристика приладів для фотограмметричних та картографічних робіт

Прилад має такі головні складові: оптичну систему, механічну частину, обчислювально-управляючу частину з програмним забезпеченням.

Оптична система дає змогу стереоскопічно розглядати пару фотознімків з деяким збільшенням та виконувати візування марками на точки стереомоделі. У цій системі реалізується принцип Аббе - вимірювальна марка завжди знаходиться на оптичному промені, перпендикулярному до площини фотозображення. Оптична система є аналогічною до такої самої системи стереокомпаратора.

Механічна частина приладу дає можливість реалізувати високоточне переміщення кареток лівого та правого знімків в одній горизонтальній площині. В більшості випадків переміщення хл ул та хп уп є незалежними і реалізуються за допомогою диференційних кареток. Точність фіксації переміщень повинна бути +1 мкм. Механічне переміщення знімка (каретки) повинно бути перетворене в електричний сигнал. Для реалізації цієї функції використовують різні електродвигуни (обертово-імпульсні, лінійно-імпульсні або індуктивні), які з високою точністю перетворюють поворот ведучого гвинта каретки (лінійне переміщення) у відповідний електричний сигнал і навпаки. Якщо перші перетворювачі цього типу були технічно недосконалими (невисока надійність, обмеження по точності, шум під час роботи), то з середини 90-х років ці недоліки усунені.

Обчислювально-управляюча система реалізує дві головні функції. Перша з них - це строге аналітичне розв'язання таких фотограмметричних задач, як внутрішнє, взаємне, зовнішнє орієнтування знімків, розв'язання прямої фотограмметричної засічки, побудова мереж фототріангуляцїї тощо. Ці задачі покладаються на ПЕОМ, яка повинна "вміти" працювати в діалоговому режимі з оператором. Друга функція – це обчислення диференційних зміщень для лівого та правого знімків з тією метою, щоб оператор міг спостерігати стереомодель без поперечного паралаксу, та збір картографічної інформації зі знімків. Досить часто цей процес створення оригіналу топографічної карти називають стереоскладанням карти (плану). Очевидно, що для розв'язання цих задач необхідне відповідне програмне забезпечення.

В перших типах аналітичних приладів, коли ще технічні можливості комп'ютерів були мізерними (60-70-ті роки), використовувались мікрокомп'ютери, головна роль яких полягала в розв'язанні деяких фотограмметричних задач, обчисленні переміщень для лівого та правого знімків, контролю вимірювального процесу тощо. В наші дні, коли до стереокомпаратора підключається потужна ПЕОМ з високою швидкодією та величезним об'ємом оперативної та зовнішньої пам'яті, є можливість зібрати картографічну інформацію, візуалізувати її на екрані

монітора, відредагувати, відобразити на координатографі та створити цифрову копію на магнітному носії чи лазерному диску.

Відомі такі аналітичні прилади:

-автограф аналітичний АРС-4 фірми ОМІ (Італія);

-автограф аналітичний PLANICOMP СІ00 фірми Opton (Німеччина);

-автограф аналітичний ANAPLOT Національного дослідницького центру (Канада);

-автограф аналітичний TRASTER фірми Matra (Франція);

-аналітичний прилад AVIOLYT фірми Wild (Швейцарія);

-аналітичний прилад DSR1 та DSR2 фірми Kern (Швейцарія);

-аналітичний прилад "СТЕРЕОАНАГРАФ" фірми "Геосистема" (Україна);

-аналітичні прилади CD-2000, CD-3000 фірми Leica (Швейцарія). Зупинимось на довідковому матеріалі про вітчизняного виробника - фірму

"Геосистема" (м. Вінниця). У 1984 р. на базі проектно-конструкторського бюро Державного Центру “Природа" було створене виробниче об'єднання (ВО) "Аерогеоприлад". Тут у 1987 р. був виготовлений перший прилад "Стереоанаграф". У 1992 р. була завершена нова розробка "Стереоанаграф-4", яка успішно демонструвалась на виставці "Америка - Україна" в Лас-Вегасі.

В 1993 р. з ВО "Аерогеоприлад" виділилось як незалежне науково-виробниче підприємство "Геосистема", яке сьогодні займається виготовленням стереоанаграфів (сьогодні це модель Стереоанаграф-8) та цифрових фотограмметричних станцій.

Стереоанаграф включає в себе стереокомпаратор (точність - 3 мкм, збільшення - 7-21 крат, розмір вимірювальної марки - 25-100 мкм), комп'ютер типу IBM РС/486 і вище з операційною системою Intel/DOS, автоматизований координатограф (точність 0,2 мкм, багатоколірна рисувальна голівка) та пакет прикладних програм (управляюча, фотограмметричні задачі з орієнтування аерота космічних знімків, фототріангуляція, створення та редагування цифрових карт і планів).

Стереоанаграф має високі технічні характеристики, проте програмне забезпечення для розв'язання широкого кола інженерних задач потребує доопрацювання. Його очевидна перевага над закордонними аналогами - ціна у 1,5-2 рази нижча.

Саме цей фактор сприяв тому, що прилади "Геосистеми" працюють в США, Південній Кореї, Швеції, Іспанії, Італії, Єгипті, Китаї, Росії, Беларусі, Молдові та, звичайно ж, в Україні.

Цифрова фотограмметрична станиія «Дельта»

ЦФС "Дельта" створена в Науково-виробничому підприємстві "Геосистема" (Україна). Ґрунтується на стандартному Intel-сумісному комп'ютері з системою Windows 97/2000/ ХР. Використовує відеорежими кольорових моніторів з роздільною здатністю від 1024x768 до ІбООх 1200 пікселів та вище. Для стереоспостережень використовується або стереоскоп, або Open GL сумісні закриваючі окуляри. Загальний вигляд ЦФС «Дельта» показано на рис. 9.

Цифрова фотограмметрична станиія «Дельта» Програмне забезпечення реалізує основні способи і задачі аналітичної

фотограмметрії та операції з опрацювання зображень.

Програма орієнтування забезпечує створення каталогів опорних точок, напівавтоматичне орієнтування стереопари і поодинокого знімка, контроль якості та можливість виправлення кожного процесу орієнтування, опрацювання аерота космічних знімків високої роздільної здатності.

Програма стереозбирання і створення електронних карт працює як у стереорежимі, так із поодинокими знімками, для яких попередньо створена ЦМР. Виконується векторизація ортофотопланів або відсканованих карт, накладання векторної інформації на растрову у режимі 3D, використовуються шаблони типових об'єктів, автоматичне створення і замикання полігонів.

Відновлюється рельєф в автоматичному та напівавтоматичному режимах, побудова та інтерполяція горизонталей.

Система дає змогу створювати ортомозаїки з необмеженої кількості знімків та полігонів з вирівнюванням тональності і корекцією кольорів.

Закладено та реалізовано такі функції опрацювання рельєфу: побудова регулярної сітки (GRID) або нерегулярної (TIN) з пікетів чи горизонталей, генерування горизонталей з ЦМР або TIN, інтерполяція горизонталей, побудова перерізів, підрахунок об'ємів.

Реалізована автоматична блочна тріангуляція з вирівнюванням блока, спосіб швидкої кореляції для автоматичного ототожнення точок і передавання їх на сусідні знімки. Відбувається електронне маркування точок і генерування абрисів. Після вирівнювання блока видається каталог координат точок мережі.

Використовуються внутрішні формати графічних даних DMF, TIFF, внутрішній формат бази даних DMF, експорт та імпорт графічних даних у форматах DXF, MID/MIF, SHP, DGN, TXF, ASCII, TIFF, BMP, JPG.

Реалізовано обмін даними з програмами AutoCAD, Maplnfo, ArcVieW,

MicroStation, ГІС "Карта 2000".

Технологія створення карт і планів на ЦФС

Технологія складається з наступних процесів:

-сканування фотознімків для перетворення їх в цифрову форму;

-введення в комп'ютер цифрових зображень стереопари знімків;

-введення елементів внутрішнього орієнтування (х0, у0, f), координат сітки хрестів або відстаней між координатними мітками (1х,1у), даних дисторсії АФА, параметрів аерофотознімання, координат опорних точок;

-внутрішнє і взаємне орієнтування знімків;

-визначення елементів зовнішнього орієнтування моделі;

-визначення елементів зовнішнього орієнтування знімків в автоматичному режимі;

-зйомка ситуації і рельєфу (векторизація, кодування, редагування).

Для великомасштабних зйомок (1:2 000 і крупніше) слід використовують аналітичні плоттери.

Для зйомок в масштабах 1:10 000 і 1 : 25 000 можна застосовувати аналогові універсальні прилади. У всій решті випадків рекомендується застосовувати цифрові фотограмметричні станції, оскільки сьогодні перевага віддається цифровим картам. Карти і плани, створені на аналогових приладах, можуть бути перетворені в цифрову форму, проте це пов'язано з великими додатковими трудовитратами. При створенні карт на аналітичних плоттерах і ЦФС перевагу віддають способу побудови моделей по умові компланарності, хоча спосіб побудови моделей по установних елементах вимагає менше витрат в рішенні і дає вищу точність.

Проте слід враховувати, що висока точність буде одержана при умові, коли елементи внутрішнього орієнтування відомі з високою точністю (vn < 0,01 мм), або повинне бути виконане узгодження елементів внутрішнього і зовнішнього орієнтування. Останнє досягається шляхом визначення настановних елементів із зворотної або подвійної зворотної засічки.

Для зйомок в масштабах 1:10 000 і 1 : 25 000 можна застосовувати аналогові універсальні прилади. У всій решті випадків рекомендується застосовувати цифрові фотограмметричні станції, оскільки сьогодні перевага віддається цифровим картам. Карти і плани, створені на аналогових приладах, можуть бути перетворені в цифрову форму, проте це пов'язано з великими додатковими трудовитратами. При створенні карт на аналітичних плоттерах і ЦФС перевагу віддають способу побудови моделей по умові компланарності, хоча спосіб побудови моделей по установних елементах вимагає менше витрат в рішенні і дає вищу точність.

Проте слід враховувати, що висока точність буде одержана при умові, коли елементи внутрішнього орієнтування відомі з високою точністю (vn < 0,01 мм), або повинне бути виконане узгодження елементів внутрішнього і зовнішнього орієнтування. Останнє досягається шляхом визначення настановних елементів із зворотної або подвійної зворотної засічки.

КАРТОГРАФІЯ Картографії – це наука про відображення і дослідження явищ природи і

суспільства - їх розміщення, властивостей, взаємозв'язків і змін у часі - за допомогою картографічних зображень, як просторових образно-знакових моделей.

В системі картографії можна виділити два напрямки - географічна картографія та інженерна картографія. Географічна картографія відображає і досліджує географічні системи (геосистеми) в цілому та окремих їх компонентів. Представники цього напряму віддають пріоритет контактам з природно-науковими

дисциплінами, дотримуються поглядів на картографію як науково-пізнавальну науку (переважно дослідницьку). Представники інженерної картографії дотримуютьсяпоглядів на картографію як на науково-технічну науку (переважно виробничу) і більш пов'язані з геодезичними науками. Географічна картографія розвивається головним чином в університетах та академічних інститутах, а інженерна картографія - в технічних вузах і науково-виробничих організаціях. При всіх відмінностях обидві школи тісно співпрацюють у своїй роботі.

В даний час в картографії склалося кілька теоретичних концепцій - систем поглядів на предмет і метод картографії.

Пізнавальна або модельно-пізнавальна концепція трактує картографію як пізнавальну науку, тісно пов'язану з науками про Землю, природними і соціальноекономічними науками, теорією пізнання і віддає перевагу у вивченні дійсності картографічного моделювання, розглядаючи карту як модель дійсності.

Комунікативна концепція розглядає картографію як галузь інформатики, а карту як засіб комунікації, канал інформації.

Мовна (картомовна) концепція вважає картографію як науку про мову карти, а карту - як особливий текст, виконаний за допомогою умовних знаків. Картографія розглядається тут як галузь лінгвістики і семіотики (науки про мови).

Є й інші концепції, що поєднують різні точки зору. Метакартографія - теорія картографії, заснована на логіко-філософських принципах відображення (А.Ф.Асланікашвілі). Картологія - теорія, котра поєднує уявлення про комунікативні і модельних функціях картографії (Л.Ратайскій).

У 80 роках XX в. почала розвиватися нова геоінформаційна концепція. У ній картографія постає як наука про системний інформаційно-картографічному моделюванні та пізнанні геосистем. Карта розглядається як образно-знакова геоінформаційна модель дійсності.

Картографічні зображення

Розрізняють дві основні групи картографічних зображень:

1)фіксовані картографічні зображення, до яких можна віднести усі традиційні карти на папері, плівці та ін. жорстких носіях;

2)програмно-керовані карти, атласи, динамічні картографічні зображення, що відтворюють програмними та технічними засобами комп’ютерної графіки.

Якщо фіксовані картографічні зображення забезпечують довготривале існування зображень, то програмно керовані можливо оперативно генерувати та перетворювати. Взаємозв’язок між ними відбувається, головним чином, на рівні аналогово-цифрових перетворень та вводу/виводу зображень до комп’ютерного пристрою мережі.

На відміну від фіксованих картографічних зображень, що існують багато століть, розвиток програмно-керованих картографічних зображень відбувається на наших очах та характеризується деякими примітними закономірностями. Комп’ютерна картографія, почавши з достатньо елементарних статичних картограм, поступово практично досягла наближення електронних зображень до карт, що складали вручну за точністю, витонченістю малюнка, різноманітністю умовних знаків, способів оформлення та ін.

Співвідношення наочності та метричності картографічних зображень

Проблеми візуалізації неможливо розглядати без аналізу наочності, важливої властивості будь-якого картографічного зображення. В картографії наочність трактується як доступність зображення для безпосереднього сприйняття глядача та

розуміння, як прямий наслідок образності карти. Ступень наочності визначається простотою та швидкістю сприйняття географічних образів. Доцільно розглянути співвідношення властивостей наочності та метричності картографічних зображень на прикладах картографування рельєфу та віртуального моделювання.

З найдавніших часів до зображення рельєфу на картах пред’являлися дві основні вимоги: пластичність, тобто наочна передача нерівностей рельєфу, що формує у читача зоровий образ місцевості; і метричність, яка забезпечує отримання по картах абсолютних висот і перевищень, характеристик кутів нахилу, розчленування та ін. На різних історичних етапах на перший план виходили задачі створення пластичного, об’ємного або метрично точного зображення, а іноді поєднання цих вимог.

Система метричних дисциплін

Та обставина, що ГС формується комплексом просторових графічних змінних - геометричних, оптичних, тимчасових, надає їй особливі метричні властивості. В картографії, дистанційному зондуванні, фотограмметрії, розвинувся обширний комплекс метричних дисциплін, що забезпечують виконання всіляких вимірювань в ГІС.

геопланіметрія - вимірювання за плоскими двовимірними картографічними зображеннями;

геостереометрія - вимірювання за об’ємними тривимірним картографічними зображеннями;

геохронометрія, або динамічна геоіконометрія, - вимірювання за динамічними трьохта чотиривимірними картографічними зображеннями.

Геоіконометрію можна розглядати як частину загальної метрології. На сьогодні геоіконометрія досить різнорідна: в ній існують дисципліни, що мають тривалу, навіть багатовікову історію і добре розвинутий апарат вимірювань, інші напрямки, які сформувалися відносно недавно, і треті, що знаходяться в стадії зародження.

До геопланіметрії - найбільш розвинутого напряму геоіконометрії – входять такі дисципліни:

картометрія - вимір за картами координат об’єктів, їх геометричних характеристик та розмірів, орієнтації в просторі;

фотограмметрія - вимірювання за аерота космознімками розмірів та положення об’єктів;

морфометрія - вимірювання форм та структури об’єктів за картамита знімками. Виділяють загальну морфометрію та її тематичні галузі: геологічну, гідрологічну і ін. (кожна зі своїм специфічним набором показників). За мірою впровадження в дослідну практику анаморфованих карт, очевидно, отримає розвиток та відповідний розділ морфометрії, який можна назватианаморфометріей;

фотометрія - вимірювання і обчислення за знімками характеристик оптичного випромінювання об’єктів. В рамках фотометрії розвиваються денситометрія, що займається вимірюванням оптичної щільності, мікрофотометрія і структурометрія, які розробляють методи оцінки структури зображення на аеро- і космічних знімках;

колориметрія - вимірювання та кількісне вираження колірниххарактеристик на картографічних зображеннях.

Другий напрям - геостереометрія - включає ті ж вимірювальні дисципліни, але в додатку до об’ємних картографічних зображень: стереомоделям, анагліфам,

блок-діаграмам та голограмам. В даний час добре розвинені такі напрямки: стереофотаграмметрія - вимірювання геометричних характеристик об’єктів за стереопарами фотознімків на основі використання стереоскопічного ефекту. До цієї дисципліни примикають стереорадарграмметрія та інтерферометрія, які застосовуються для аналізу нерівностей земної поверхні за парами радіолокаційних знімків, що перекриваються;

стереофотометрія - вимірювання та розрахунок параметрів випромінювання об’єктів за стереознімком;

голограмметрія - вимірювання по голограмам геометричних характеристик, форми та структури об’єкта.

Подальший розвиток методів створення і використання звичайних та електронних стереокартографічних зображень має призвести до виникнення відповідних метричних дисциплін - стереокартометрії та стереоморфометрії, а

впровадження кольорових стереофотограмметричних моделей може стимулювати появу стереоколоріметрії.

До геохронометрії - третього напряму геоіконометрії - входять:

динамічна картометрія - вимірювання просторових та часових параметрів за динамічними електронними картками, картографічними фільмами та анімаціями; динамічна фотограмметрія - вимірювання показників динаміки об’єктів за

різночасовими знімками, відеофільмів, кінофільмів; кіноголограмметрія - вимірювання показників динаміки об’єктів за

кіноголограммами.

Очевидно, розширення сфери практичного використання динамічних картографічних зображень дасть поштовх розвитку відповідних дисциплін: динамічної морфометрії, динамічної фотометрії, кіноколорометрії.

Запропонована класифікація доцільна у наступному: вона дозволяє систематизувати усі геоіконометричні дисципліни, що застосовуються на сьогоднішній день, представити в упорядкованному вигляді їх зв’язки та ієрархію, уточнити сфери дії і дефініції. Тим самим класифікація сприяє методологічному осмисленню геоіконометрії як особливого напряму в рамках геоіконіки. Крім того, подібна систематизація виконує програмуючу функцію, показуючи можливі точки зростання нових метричних дисциплін. Це, звичайно, не єдино можлива систематизація, але вона на сьогодні дозволяє зробити крок у напрямку загального підходу до розуміння інформаційного багатства метричної обробки картографічних зображень різного виду.

Прилади для роботи з картами

Лінійка металева або пластмасова з міліметровими розподілами служить для проведення прямих ліній, відкладання або вимірювання відрізків прямих ліній.

Косинець в поєднанні з лінійкою служить для проведення прямих ліній, паралельних або перпендикулярних заданому напрямку.

Циркуль-вимірювач складається з двох ніжок з гострими кінцями, протилежні кінці яких з'єднані шарніром, в поєднанні з лінійкою або поперечним масштабом служить для відкладання і вимірювання відрізків прямих ліній.

Курвіметр механічний або електронний застосовують для вимірювання по картах або планам довжин кривих ліній.

Транспортир - металевий прилад, призначений для вимірювання та побудови кутів на картах і планах. Транспортув має вигляд півкола, що спирається на лінійку з поперечним масштабом.

Центр півкола розташований на скошеному виступі верхнього ребра лінійки. Полярний планіметр - механічний прилад, призначений для визначення площ

замкнутих фігур на картах і планах.

Більш досконалими приладами для вимірювання площ на картах і планах є електронні планіметри. Відмінною особливістю електронних планіметрів від механічних є наявність вбудованого калькулятора, за допомогою якого виробляють обчислення площ. При цьому відпадає необхідність у використанні палеток і ручних обчислень.

Буссоль - точний компас, службовець для орієнтування карт і планів. Коробка буссоли розміщується на пластині зі скошеним краєм, на якому

нанесені міліметрові ділення. На пластині іноді поміщають круглий рівень, який служить для приведення кільця буссоли з градусними поділками в горизонтальне положення. Магнітна стрілка, що має північний синій (вороновані) кінець і південний - світлий, вільно встановлюється на гострий штифт. Коробка буссоли має аретир, за допомогою якого магнітна стрілка щільно притискається к.стеклу при зберіганні та перенесенні буссоли. Південний кінець магнітної стрілки забезпечений пересувний муфтою для її врівноваження.

Будова планіметра

В інженерній практиці для визначення площ досить великих ділянок за

Амслером і нашим співвітчизником механіком А. Н. Зарубіним. З численних конструкцій планіметрів в даний час найбільшого поширення отримали полярні планіметри типів ПП-2К (конструкції МІІЗ) і ПП-М. Пристрій полярного планіметра. Полярний планіметр ПП-М (рис. 3.1) складається з двох важелів - полюсного 1 і обвідного 4. У нижній частині вантажу 2, закріпленого на одному з кінців полюсного важеля, є голка - полюс планіметра.

На другому кінці полюсного важеля знаходиться штифт з кулястою головкою, що вставляється в гніздо 5 каретки 6 обвідного важеля. На кінці обвідного важеля є лінза 3, на якій нанесена окружність з обвідний крапкою в

звітів по відліковому колесу є спеціальний пристрій - верньєр 9. При обводі контуру ділянки обвідний точкою лінзи 3 ободок рахункового колеса і ролик 11 котяться чи ковзають по паперу; разом з обвідною точкою вони утворюють три опорні точки планіметра.

Рахункове колесо розділене на 100 частин, а кожна частина містить 10 поділок планіметра. Кожен десятий штрих рахункового колеса оцифровано. Відлік по планіметру складається з чотирьох цифр: перша – найближча до покажчика 14 менша цифра лічильника обертів (тисячі ділень планіметра), друга і третя цифри – сотні і десятки поділів, що передують нульовій поділці верньєра; четверта цифра – номер поділки верньєра, що збігається з найближчою поділкою рахункового колеса (одиниці поділок). Каретка з рахунковим механізмом (рис. 3.2) після ослаблення гвинта 13 може пересуватися уздовж обвідного важеля 4, змінюючи тим самим його довжину. Необхідна довжина обвідного важеля встановлюється на шкалі поділок 12, яка розташована на його верхній межі, за допомогою верньєра 10.